Leyes de la termodinámica
Las leyes de la termodinámica son principios que nos permiten comprender cómo funcionan y se comportan los sistemas termodinámicos. Estos sistemas se caracterizan por la presencia de energía térmica, el flujo de calor y la realización de un trabajo, así como la relación entre ellos.
Los principios de la termodinámica son claves en la definición de algunos conceptos y magnitudes, como la temperatura, la entropía y la energía de un sistema. Por ejemplo, una de las leyes establece que dos sistemas están en equilibrio si tienen la misma temperatura, lo que sirvió para describir mejor esta magnitud.
Las leyes o principios de la termodinámica son:
- Ley cero de la termodinámica o de los sistemas en equilibrio térmico
- Primera ley de la termodinámica o de la conservación de la energía
- Segunda ley de la termodinámica o de la entropía
- Tercera ley de la termodinámica o del cero absoluto
Algunos científicos claves en la enunciación de estas leyes fueron William Thomson (Lord Kelvin), Nicolás Léonard Sadi Carnot, Rudolf Clausius y Walther Nernst. Por ejemplo, en el siglo XIX, Carnot desarrolló lo que después se convertiría en la segunda ley de la termodinámica.
A lo largo del siglo XX, diversos científicos formularon lo que hoy en día conocemos como las cuatro leyes de la termodinámica. A continuación explicamos en profundidad cada ley.
Ley cero de la termodinámica
La ley cero de la termodinámica se relaciona con el equilibrio térmico entre varios sistemas, y es una de las leyes claves en la definición de temperatura.
Supongamos que los sistemas A y B están en equilibrio térmico, y a su vez, los sistemas B y C están en equilibrio. Por tanto, podemos concluir que los sistemas A y C también se encuentran en equilibrio térmico, es decir, se hallan a la misma temperatura.
Esta ley se puede representar de la siguiente forma:
Si A = B y B = C
Entonces, A = C
La ley cero es importante para indicar que dos sistemas a temperaturas diferentes intercambian energía hasta alcanzar el equilibrio térmico.
Por ejemplo, si en un sistema con agua caliente añadimos una pieza metálica fría, se producirá un flujo de calor del agua a la pieza. Este proceso seguirá hasta que el agua y la pieza estén a la misma temperatura, llegando al equilibrio térmico y dejando de intercambiar energía.
Vea también Equilibrio térmico y Temperatura.
Primera ley de la termodinámica
La primera ley de la termodinámica se conoce comúnmente como la ley de conservación de la energía. Nos indica que en cualquier sistema dado, la energía siempre se conserva, o dicho de otra forma, no se crea ni se destruye, sino que se transforma. Por ejemplo, la energía térmica puede convertirse en energía mecánica, química o eléctrica.
La energía que un sistema puede transmitir a otros en forma de calor para producir un trabajo debe proveer de algún lado. Por tanto, cada sistema contiene una cantidad de energía determinada. A esta energía, contenida en un sistema dado, se le llama energía interna, simbolizada con la letra U.
La fórmula que relaciona la energía interna con el calor y el trabajo es ΔU = Q - W, en que:
- ΔU es la variación de la energía interna del sistema, en julios, J;
- Q es el calor que el sistema gana (valor positivo) o pierde (valor negativo), en julios, J;
- W es el trabajo producido por el sistema (valor positivo) o sobre el sistema (valor negativo), en julios, J.
Una manera de explicar esta fórmula es que la variación de energía interna (ΔU) contenida en un sistema es igual al calor (Q) que gana menos el trabajo (W) que produce.
Por tanto, si un sistema pierde energía interna, es porque la ha transmitido a otro en forma de calor o ha realizado trabajo. No obstante, aunque dé la impresión de que un sistema sí puede perder energía, esta ha sido ganada por otro sistema. En conclusión, la energía se transmite constantemente de sistema en sistema, sin destruirse o crearse.
Un ejemplo para ilustrar la primera ley es la fotosíntesis. Las plantas aprovechan la energía proveniente de la luz solar para llevar a cabo la fotosíntesis, transformándola en energía química. Luego, parte de esa energía pasa a los herbívoros que consumen plantas. De esta manera, la energía se ha transmitido a través de tres sistemas, compuestos por el sol, las plantas y los herbívoros.
Vea también Calor y Trabajo en Física.
Segunda ley de la termodinámica
La segunda ley de la termodinámica nos introduce el concepto de la entropía. Una forma de definir la entropía es que indica el nivel o grado de desorden y aleatoriedad que hay en un sistema o en el universo.
Uno de los enunciados más importantes de esta segunda ley es que la entropía del universo siempre tiende a aumentar. Por esta razón, cualquier proceso natural o espontáneo es irreversible, por lo que solo puede evolucionar en una sola dirección. Sumado a esto, la única forma de revertir un proceso es aumentando la entropía del entorno que rodea el sistema.
La fórmula para representar este aumento de entropía es ΔS ≥ ΔQ / T, en que:
- ΔS es el cambio de entropía en el sistema;
- ΔQ es la variación de calor en el sistema;
- T es la unidad de temperatura.
La segunda ley tiene dos implicaciones:
1: no es posible que un cuerpo de menor temperatura transfiera solamente calor a otro de mayor temperatura, de forma espontánea. Esto se comprueba cuando dos objetos a diferentes temperaturas entran en contacto, pues vemos que el calor se transfiere desde el cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura.
2: no es posible que todo el calor de un sistema se convierta en trabajo. Es decir, hay una inevitable pérdida en la capacidad de un sistema de convertir calor en trabajo, por lo que ninguna máquina puede ser 100% eficiente.
Un ejemplo que confirma esta segunda implicación es al analizar un motor que se sirve del calor producido por combustión. Por más que optimicemos este proceso, no todo el calor generado se convierte en energía mecánica (trabajo). En su lugar, parte del calor se transmite a los materiales que componen el motor, calentándolos, o se libera al entorno.
Vea también Entropía.
Tercera ley de la termodinámica
La tercera ley de la termodinámica se relaciona con el estado que alcanza la materia en el cero absoluto. Concretamente, enuncia que la entropía o grado de desorden de un sistema es constante y mínima cuando su temperatura llega al cero absoluto.
Esta ley se puede representar dos formas. Por un lado, se establece que si el límite de ΔS = 0, entonces T → 0. Es decir, para que no haya una variación de entropía en un sistema, la temperatura ha de ser próxima a 0 Kelvin.
Por el otro lado, una fórmula que describe la tercera ley es ΔS = kB lnΩ, en que:
- ΔS es la variación de entropía en el sistema;
- kB es la constante de Boltzmann, de un valor exacto de 1,380 649 x 10-23 J / K;
- Ω es el número de microestados o configuraciones posibles que los átomos pueden tener en un sistema.
En el cero absoluto, el número microestados es 1; como ln(1) = 0, eso significa que la entropía del sistema no puede disminuir más. Por tanto, tenemos un punto de partida para establecer el valor mínimo de la entropía como 0. Esto sucede porque en el cero absoluto, la materia solo se organiza de una sola forma con átomos idénticos, lo que se conoce como sustancia cristalina perfecta.
Sin embargo, en la naturaleza no existe materia que permanezca en el cero absoluto de forma indefinida, por lo que es un límite teórico. Aun así, nos ayuda a entender que todo sistema que contenga energía y esté a una temperatura mayor de cero exhibirá un grado de desorden o entropía.
El agua puede servirnos de ejemplo. Cuando es vapor, las partículas del agua tienen mucha energía cinética y se desplazan mucho en el espacio, de forma caótica. En su estado líquido, las partículas están más ordenadas y se desplazan a menor velocidad. Ya en su estado sólido, las partículas no se mueven, sino que vibran en un punto fijo, por lo que el grado de desorden es mucho menor.
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Cómo citar: Rhoton, Stephen (07/08/2025). "Leyes de la termodinámica". En: Significados.com. Disponible en: https://www.significados.com/leyes-de-la-termodinamica/ Consultado:
